散熱與風量的計算.doc

風扇總熱量=空氣比熱X空氣重量X溫差,這里的溫差是指,你進風的溫度與最終加熱片的溫度的差值,照你說的,250-80(最加熱片的溫度)-25(進風空氣的溫度)=145度,你給的倏件還一樣,就是熱量不知道,或者電器做的總功不知道,電器做的總功/4.2=風扇排出的總熱量知道的話就可以根空氣重量=風量/60X空氣密度逆推出風量.設：半導體發(fā)熱芯片平均溫度T1（工作時的溫度上限，也就是說改芯片能承受的最高溫度，取決你的設計要求了），散熱片平均溫度T2，散熱片出口處空氣溫度T3簡化問題，假設：1.散熱片為熱的良導體，達到熱平衡時間忽略，則有T1=T2；2.只考慮熱傳導，對流和輻射不予考慮。又因為半導體發(fā)出的熱量最終用來加熱空氣，則有：880W=40CFM*空氣比熱*（T3-38C） 注意單位統(tǒng)一，至于空氣的比熱用定容的吧。上式可以求出（實際上也就是估算而已）出口處空氣溫度T3，根據(jù)散熱片的散熱公式（也是估算），有：P=*【T2-0.5（T3+38C）】*A其中：P為散熱功率，為散熱系數(shù)，A為與空氣的接觸面積，【T2-0.5（T3+38C）】為溫差；其中：可以通過對照試驗求（好吧，還是估算）出來，這樣就能大概估算出需要的散熱器面積A了。P.S.誤差來源1：散熱器溫度和芯片溫度肯定不相等，熱傳導需要時間，而且散熱片不同位置的溫度也不嚴格相同，只是處在動態(tài)平衡；誤差來源2：散熱片的散熱公式是憑感覺寫的。應該沒大錯，但肯定很粗糙。自己修正吧能想到的就這么多了。 軸流風機風量散熱器的信息講解 2011-06-02 17:06 軸流風機風量散熱器的信息講解 風量是指風冷散熱器風扇每分鐘排出或納入的空氣總體積，如果按立方英尺來計算，單位就是CFM；如果按立方米來算，就是CMM。散熱器產(chǎn)品經(jīng)常使用的風量單位是CFM（約為0.028立方米/分鐘）。505010mm CPU風扇一般會達到10 CFM，606025mm風扇通常能達到20-30的CFM。在散熱片材質相同的情況下，風量是衡量風冷散熱器散熱能力的最重要的指標。顯然，風量越大的散熱器其散熱能力也越高。這是因為空氣的熱容比率是一定的，離心風機 更大的風量，也就是單位時間內更多的空氣能帶走更多的熱量。當然，同樣風量的情況下散熱效果和風的流動方式有關。風量和風壓風量和風壓是兩個相對的概念。一般來說，要設計風扇的風量大，就要犧牲一些風壓。如果風扇可以帶動大量的空氣流動，但風壓小，風就吹不到散熱器的底部（這就是為什么一些風扇轉速很高，風量很大，屋頂風機 但就是散熱效果不好的原因）。相反的，風壓大、風量就小，沒有足夠的冷空氣與散熱片進行熱交換，也會造成散熱效果不好。一般鋁質鰭片的散熱片要求風扇的風壓足夠大，而銅質鰭片的散熱片則要求風扇的風量足夠大；鰭片較密的散熱片相比鰭片較疏的散熱片，需要更大風壓的風扇，否則空氣在鰭片間流動不暢，散熱效果會大打折扣。防爆風機所以說不同的散熱器，廠商會根據(jù)需要配合適當風量、風壓的風扇，而并不是單一追求大風量或者高風壓的風扇。風扇轉速是指風扇扇葉每分鐘旋轉的次數(shù)，單位是rpm。風扇轉速由電機內線圈的匝數(shù)、工作電壓、風扇扇葉的數(shù)量、傾角、高度、直徑和軸承系統(tǒng)共同決定。轉速和風扇質量沒有必然的聯(lián)系。風扇的轉速可以通過內部的轉速信號進行測量，也可以通過外部進行測量（外部測量是用其它儀器看風扇轉的有多快，內部測量則直接可以到BIOS里看，也可以通過軟件看。內部測量相對來說誤差大一些）。 ? 因為隨著環(huán)境溫度的變化，有時需要不同轉速風扇來滿足需求。一些廠商特意設計出可調節(jié)風扇轉速的散熱器，分手動和自動兩種。手動的主要是讓用戶可以在冬天使用低轉速獲得低噪音，夏天時使用高轉速獲得好的散熱效果。自動類調溫散熱器一般帶有一個溫控感應器，能夠根據(jù)當前的工作溫度（如散熱片的溫度）自動控制風扇的轉速，溫度高則提高轉速，溫度低則降低轉速，以達到一個動態(tài)的平衡，從而讓風噪與散熱效果保持一個最佳的結合點。散熱器都需要通過風扇的強制對流來加快熱量的散失，因此一款風扇的好壞，對整個散熱效果起到了決定性的作用。配備一個性能優(yōu)良的CPU風扇也是保證整部電腦順利運轉的關鍵因素之一。DC風扇運轉原理： 根據(jù)安培右手定則，導體通過電流，周圍會產(chǎn)生磁場，若將此導體置于另一固定磁場中，則將產(chǎn)生吸力或斥力，造成物體移動。在直流風扇的扇葉內部，附著一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環(huán)繞著硅鋼片，軸心部份纏繞兩組線圈，并使用霍爾感應組件作為同步偵測裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈輪流工作。硅鋼片產(chǎn)生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵產(chǎn)生吸斥力。當吸斥力大于虱扇的靜摩擦力時，扇葉自然轉動。由于霍爾感應組件提供同步信號，扇葉因此得以持續(xù)運轉，至于其運轉方向，可依佛萊明右手定則決定AC風扇運轉原理： AC風扇與DC風扇的區(qū)別。前者電源為交流，電源電壓會正負交變，不像DC風扇電源電壓固定，必須依賴電路控制，使兩組線圈輪流工作才能產(chǎn)生不同磁場。AC風扇因電源頻率固定，所以硅鋼片產(chǎn)生的磁極變化速度，由電源頻率決定，頻率愈高磁場切換速度愈快，理論上轉速會愈快，就像直流風扇極數(shù)愈多轉速愈快的原理一樣。不過，頻率也不能太快，太快將造成激活困難。我們電腦散熱器上應用的都是DC風扇。而一般一款好的風扇主要考察風量、轉速、噪音、使用壽命長短、采用何種扇葉軸承等。風冷散熱原理：散熱片的核心是同散熱片底座緊密接觸的，因此芯片表面發(fā)出的熱量就會通過熱傳導傳到散熱片上，再由風扇轉動所造成的氣流將熱量“吹走”，如此循環(huán)，便是處理器散熱的簡單過程。散熱片材料的比較：現(xiàn)在市面上的散熱風扇所使用的散熱片材料一般都是鋁合金，只有極少數(shù)是使用其他材料。學過物理的人應該都知道鋁導熱性并不是最好的，從效果來看最好的應該是銀，接下來是純銅，緊接著才會是鋁。但是前兩種材料的價格比較貴，如果用來作散熱片成本不好控制。使用鋁業(yè)也有很多優(yōu)點，比如重量比較輕，可塑性比較好。因此兼顧導熱性和其他方面使用鋁就成為了主要的散熱材料。不過我們使用的散熱片沒有百分之百純鋁的產(chǎn)品，因為純鋁太過柔軟，如果想做成散熱片一般都會加入少量的其他金屬，成為鋁合金(得到更好的硬度)。風扇：單是有了一個好的散熱片，而不加風扇，就算表面積再大，也沒有用!因為無法同空氣進行完全的流通，散熱效果肯定會大打折扣。從這個來看，風扇的效果有時甚至比散熱片還重要。假如沒有好的風扇，則散熱片表面積大的特點便無法充分展現(xiàn)出來。挑選風扇的宗旨就是，風扇吹出來的風越強勁越好。風扇吹出來的風力越強，空氣流動的速度越快，散熱效果同樣也就越好。要判斷風扇是否夠強勁，轉速是一個重要的依據(jù)。轉速越快，風就越強，簡單看功率的大小。軸承：市面上用的軸承一般有兩種，滾珠軸承和含油軸承，滾珠軸承比含油軸承好，聲音小、壽命長。但是滾珠軸承的設計比較難，其中一個工藝是 預壓，是指將滾珠固定到軸承套中的過程，這要求滾珠與軸承套表面結合緊密，沒有間隙，以使鋼珠磨損度最小。通常在國內廠家軸承制造中，預壓前上下軸承套是正對的，因為鋼珠尺寸與軸承套尺寸肯定會存在一定誤差，所以在預壓受力后，滾珠同軸承套之間總有510微米的間隙，就是這個間隙，使得軸承的老化磨損程度大大增加，使用壽命縮短。同樣過程，在NSK公司的軸承制造中，預壓時上下軸承套的會有一個5微米左右的相對距離，這樣軸承套在受壓后就會緊緊的卡住滾珠，使其間的間隙減小為零，在風扇工作中，滾珠就不會有跳動，從而使磨損降至最小，保證風扇暢通且長久高速運轉。強迫風冷設計當自然風冷不能解決問題時，需要用強迫空氣冷卻，即強迫風冷。強迫風冷是利用風機進行鼓風或抽風，提高設備的空氣流動速度，達到散熱目的。強迫風冷在中大功率的電子設備中應用廣泛，因為它具有比自然風冷多幾倍的熱轉移能力。與其他形勢強迫風冷比較有結構簡單，費用低，維護簡便等優(yōu)點。整機強迫風冷有兩種形式：鼓風冷卻和抽風冷卻。鼓風冷卻特點是風壓大，風量集中。適用于單元內熱量分布不均勻，風阻較大而元器件較多的情況。當單元內風阻較大，需要單獨冷卻的元件和熱敏元件較多，且各單元間熱損相差有較大時，建議用鳳管冷卻，以便控制各單元風量的需要。當旨在機柜底層具有風阻較大元件，中上層五熱敏元件的情況下，建議用無風管形式來降低成本。抽風冷卻特點是風量大，風壓小，風量分布比較均勻，在強迫風冷中應用更廣泛。他也可分為有管道和無管道兩種情況。對無管道的機框抽風，整個機框相當于一個大風管，要求機柜四周密封好，側壁也不應開空，只允許有進出風口，考慮熱空氣上升，抽風機常裝在機框上部或頂部，出風口面對大氣，進風口裝在機柜底部，這種無管道風冷方式常用于機柜內各元件冷卻表面風阻較小的設備。對于在氣流上升部位又熱敏元件或不耐熱元件則要必須用風管使氣流弊開，并沿需要的方向流動，其進風口通常在機框側面，出風口在機柜頂部。對某些發(fā)熱較大的功率管，整流管等器件可以單獨風冷或用管道風冷。由于在強迫風冷時灰塵，油霧，水蒸氣和煙等會被氣流帶進設備而滋生內部污染，以及如何提高制冷效果等，因此，在進行強迫風冷設計時，應遵循以下基本要求;1.強迫空氣的流動方向應于自然對流空氣的流動方向盡量一致。2.在氣流通道上，應盡量減小阻力，并避免大型元器件阻塞奇六。要將氣流合理分配給給單元和元器件。使所有元器件，部件都能順利冷卻，并使其諫緣陀詼疃露認鹿鰨衫梅至髕偷髡蠱髦苯恿鞴仍?3.要合理排列元器件，應盡可能把不發(fā)熱與發(fā)熱小的和耐熱性能低的及熱敏的元件排在冷空氣的上游(靠近進風口)，其余元件盡量按他們的溫度高低以遞增的順序排列，對那些發(fā)熱量大而導熱性差的器件必須暴露在冷卻空氣中，必要時進行單獨冷卻。4.在不影響電性能的前提下，將發(fā)熱量大的元器件集中在一起排列，并與其他元器件熱絕緣，這樣可以減少風量，風壓，而減少風機功率。5.贈機通風系統(tǒng)的近 出風口應盡量遠離，要避免氣流短路，且入口空氣溫度與出口溫度之差一般不要超過14度。6.用于冷卻電子設備內部元器件的空氣，必須經(jīng)過過濾，要安裝防塵口。7.在濕熱環(huán)境下，為避免潮濕空氣對元器件直接影響，可采用空芯印制板組裝結構。8.為保證通風系統(tǒng)安全可靠工作，必要時要在冷卻系統(tǒng)中社控制保護裝置。9.應盡量減少強迫風冷系統(tǒng)的氣流噪聲和風機的噪聲。10.通風孔應滿足電磁兼容性及安全性要求。11.在一些大型電子設備中為提高電子線路對電磁干擾的屏蔽能力常將多塊印制板在一個用金屬板構成的密封小盒內，讓元件產(chǎn)生的熱量通過盒內的對流，傳導，和輻射傳給盒壁，再有盒壁傳給冷卻空氣把熱量散掉。12.當機柜或機箱內有多塊印制板平行排列時，印制板的間距不宜相差太大，否則，氣流將直接從間距大的地方流過，而降低對其印制板的冷卻效果。13.再強迫風冷冷卻的設計中，正確選擇風機很重要。風機有離心式和軸流式，其中離心式風機特點是風壓高，風量集中，風量小;軸流式風機是風壓小，風量大。選擇風機時要根據(jù)空氣流量，風壓大小，風道的阻力特性，體積，重量和噪聲等等進行綜合分析。有關強迫風冷方面的一些看法：1、風機的先擇：選擇風機時，應考慮的因素包括：風量，風壓，效率，空氣流速，系統(tǒng)或風道的阻力特性，應用環(huán)境條件，噪聲，以及體積，重量等，其中風量和風壓是主要參數(shù)，要求風量大，風壓低的設備，盡量采用軸流式風機，(反之，則選用離心式風機);所選風機的風量或風壓不能滿足要求時，可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式來滿足要求。2、風機的安裝：A, 外殼進風孔(或出風孔)的總面積要不小于風機總的通風面積;B, 風機不論是抽風還是鼓風，安裝時都最好不要直接貼裝在開孔的鈑金上;3、風道的設計：風道要短而直，拐彎要少;在結構尺寸不受影響時，增大風道面積可減小壓力損失，同時可降低風機的噪聲;當風道進口需要安裝防塵時，在防塵的效果和流體阻力之間要權衡;元件應按叉排列方式，這樣可以提高氣流的紊流程度，增強散熱能力。風路設計方法v 自然冷卻的風路設計 設計要點 機柜的后門(面板)不須開通風口。 底部或側面不能漏風。 應保證模塊后端與機柜后面門之間有足夠的空間。 機柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風道，應保證上下具有大致相等的空間。 對散熱器采用直齒的結構,模塊放在機柜機架上后,應保證散熱器垂直放置,即齒槽應垂直于水平面。對散熱器采用斜齒的結構,除每個模塊機箱前面板應開通風口外,在機柜的前面板也應開通風口。風路設計方法v 自然冷卻的風路設計 設計案例風路設計方法v 自然冷卻的風路設計 典型的自然冷機柜風道結構形式風路設計方法v 強迫冷卻的風路設計 設計要點 如果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應均勻，以使風均勻流過每一個發(fā)熱源. 如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應稍密些，或加導流條，以使風能有效的流到關鍵發(fā)熱器件。 如果風扇同時冷卻散熱器及模塊內部的其它發(fā)熱器件，應在模塊內部采用阻流方法，使大部分的風量流入散熱器。 進風口的結構設計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。 風道的設計原則風道盡可能短，縮短管道長度可以降低風道阻力;盡可能采用直的錐形風道，直管加工容易，局部阻力小;風道的截面尺寸和出口形狀，風道的截面尺寸最好和風扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形;風路設計方法v 強迫冷卻的風路設計 典型結構風路設計方法v 強迫冷卻的風路設計 電源系統(tǒng)典型的風道結構-吹風方式風路設計方法熱設計的基礎理論v 自然對流換熱 大空間的自然對流換熱Nu=C(Gr.Pr)n.定性溫度： tm=(tf+tw)/2定型尺寸按及指數(shù)按下表選取散熱器的設計方法v 散熱器冷卻方式的判據(jù) 對通風條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風冷。 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風冷。v 散熱器強迫風冷方式的判據(jù) 對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。 對通風條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。散熱器的設計方法v 散熱器設計的步驟通常散熱器的設計分為三步1:根據(jù)相關約束條件設計處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化。3:進行校核計算。散熱器的設計方法v 自然冷卻散熱器的設計方法 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。 自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。 由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。散熱器的設計方法v 強迫冷卻散熱器的設計方法 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。 增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。 采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。 當風速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。散熱器的設計方法v 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法散熱器的設計方法v 在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法散熱器的設計方法v 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較散熱器的設計方法v 散熱器的相似準則數(shù)及其應用方法v 機箱的熱設計計算 密封機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T 對通風機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+1000uAT 對強迫通風機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+ 1000QfT熱設計的計算方法熱設計的計算方法v 自然冷卻時進風口面積的計算在機柜的前面板上開各種形式的通風孔或百葉窗，以增加空氣對流，進風口的面積大小按下式計算：Sin=Q/(7.410-5 Ht 1.5)s-通風口面積的大小，cm2Q-機柜內總的散熱量，WH-機柜的高度，cm，約模塊高度的1.5-1.8倍，t=t2-t1-內部空氣t2與外部空氣溫度 t1 之差 ， 出風口面積為進風口面積的1.5-2倍熱設計的計算方法v 強迫風冷出風口面積的計算 模塊有風扇端的通風面積:Sfan=0.785(in2-hub2)無風扇端的通風面積S=(1.1-1.5) Sfan 系統(tǒng)在后面板(后門)上與模塊層對應的位置開通風口，通風口的面積大小應為：S=(1.5-2.0)(NS模塊)N-每層模塊的總數(shù)S模塊-每一個